Windows 中斷程序設(shè)計(jì)

要 該文探討Windows3.1的中斷機(jī)制,并結(jié)合DPMI接口給出一種中斷程序設(shè)計(jì)方法,以越過(guò)系統(tǒng)和應(yīng)用程序的消息隊(duì)列,處理外部實(shí)時(shí)事件。

一、前言

Windows提供強(qiáng)大的功能以及友好的圖形用戶界面(GUI),使得它不僅廣泛的用作管理事務(wù)型工作的支持平臺(tái),也被工業(yè)領(lǐng)域的工程人員所關(guān)注。但Windows3.1并非基于優(yōu)先級(jí)來(lái)調(diào)度任務(wù),無(wú)法立即響應(yīng)外部事件中斷,也就不能滿足工業(yè)應(yīng)用環(huán)境中實(shí)時(shí)事件處理和實(shí)時(shí)控制應(yīng)用的要求。因此,如何在Windows環(huán)境中處理外部實(shí)時(shí)事件一直是技術(shù)人員尤其是實(shí)時(shí)領(lǐng)域工程人員所關(guān)注的問(wèn)題。目前已有的方法大都采用內(nèi)掛實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核的方式,如Windows下的實(shí)時(shí)控制軟件包FLX等,而iRMX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)則把Windows3.1當(dāng)作它的一個(gè)任務(wù)來(lái)運(yùn)行。對(duì)于大型的工程項(xiàng)目,開發(fā)人員可采用購(gòu)買實(shí)時(shí)軟件然后集成方式。

對(duì)中小項(xiàng)目,從投資上考慮就不很經(jīng)濟(jì)。如何尋找一種簡(jiǎn)明的方法來(lái)處理外部實(shí)時(shí)事件依然顯得很必要。

本文首先闡述Windwos的消息機(jī)制及中斷機(jī)制,然后結(jié)合DPMI接口,給出一種保護(hù)模式下中斷程序的設(shè)計(jì)方法,以處理外部實(shí)時(shí)事件。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明,該方法具有簡(jiǎn)潔、實(shí)用、可靠的特點(diǎn),并同樣可運(yùn)行于Win95。

二、Windows的消息機(jī)制

Windows是一消息驅(qū)動(dòng)式系統(tǒng),見(jiàn)圖1。Windows消息提供了應(yīng)用程序與應(yīng)用程序之間、應(yīng)用程序與Windows系統(tǒng)之間進(jìn)行通訊的手段。應(yīng)用程序要實(shí)現(xiàn)的功能由消息來(lái)觸發(fā),并靠對(duì)消息的響應(yīng)和處理來(lái)完成。

Windows系統(tǒng)中有兩種消息隊(duì)列,一種是系統(tǒng)消息隊(duì)列,另一種是應(yīng)用程序消息隊(duì)列。計(jì)算機(jī)的所有輸入設(shè)備由Windows監(jiān)控,當(dāng)一個(gè)事件發(fā)生時(shí),Windows先將輸入的消息放入系統(tǒng)消息隊(duì)列中,然后再將輸入的消息拷貝到相應(yīng)的應(yīng)用程序隊(duì)列中。應(yīng)用程序中的消息循環(huán)從它的消息隊(duì)列中檢索每一個(gè)消息并發(fā)送給相應(yīng)的窗口函數(shù)中。一個(gè)事件的發(fā)生,到達(dá)處理它的窗口函數(shù)必需經(jīng)歷上述過(guò)程。值得注意的是消息的非搶先性,即不論事件的急與緩,總是按到達(dá)的先后排隊(duì)(一些系統(tǒng)消息除外),這就使得一些外部實(shí)時(shí)事件可能得不到及時(shí)的處理。

圖1

三、Windows的保護(hù)模式及中斷機(jī)制

1.Windows的保護(hù)模式

保護(hù)模式指的是線性地址由一個(gè)選擇符間接生成的,該選擇符指向描述表中的某一項(xiàng);而實(shí)模式中則通過(guò)一個(gè)段/偏移量對(duì)來(lái)直接尋址。80386(486)CPU提供的保護(hù)模式能力包括一個(gè)64K的虛擬地址空間和一個(gè)4G的段尺寸。Windows3.1實(shí)現(xiàn)時(shí)有所差別,它支持標(biāo)準(zhǔn)模式和增強(qiáng)模式。標(biāo)準(zhǔn)模式針對(duì)286機(jī)器,不屬本文探討范圍。增強(qiáng)模式是對(duì)386以上CPU而言,Windows正是使用保護(hù)模式來(lái)打破 1M的屏障并且執(zhí)行簡(jiǎn)單的內(nèi)存保護(hù)。它使用選擇器、描述器和描述器表控制訪問(wèn)指定內(nèi)存的位置和段。描述器表包括全局描述器表、局部描述器表、中斷描述器表。保護(hù)模式與實(shí)模式有許多不同。其中顯著的差異是訪問(wèn)內(nèi)存的機(jī)制不同。

2.中斷機(jī)制

(1)實(shí)模式中斷

為了便于理解,我們先回顧實(shí)模式中斷。

在實(shí)模式下,中斷向量表IVT起到相當(dāng)重要的作用。無(wú)論來(lái)自外部硬件的中斷或是內(nèi)部的軟中斷INTn,在CPU中都產(chǎn)生同樣的響應(yīng)。

①CPU將當(dāng)前的指令指針寄存器(IP)、代碼段寄存器(CS)、標(biāo)志寄存器壓入堆棧。

②然后CPU使用n值作為指向中斷向量表IVT的索引,在IVT中找出服務(wù)例程的遠(yuǎn)地址。

③CPU將此遠(yuǎn)地址裝入CS:IP寄存器中,并開始執(zhí)行服務(wù)例程。

④中斷例程總以IRET指令結(jié)束。此指令使存在堆棧中的三個(gè)值彈出并填入CS、IP和標(biāo)志寄存器,CPU繼續(xù)執(zhí)行原來(lái)的指令。

(2)保護(hù)模式中斷

保護(hù)模式中斷過(guò)程與實(shí)模式中斷過(guò)程類似,但它不再使用中斷向量表IVT,而使用中斷描述符表(IDT)。值得一提的是,Windows運(yùn)行時(shí)IVT還存在,應(yīng)用程序并不使用它,Windows仍然使用,但含義已不同。

①IVT結(jié)構(gòu):IVT在RAM的0000∶0000之上,占據(jù)開始的1024字節(jié)。

它仍然由BIOS啟動(dòng)例程設(shè)置,由DOS填充到RAM中。

②IDT 中斷描述符表:保護(hù)模式下,Windows操作系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)中斷機(jī)制而建立的一個(gè)特殊表,即中斷描述符表IDT。該表被用來(lái)保存中斷服務(wù)例程的線性地址,它們是真正的24位或32位地址,沒(méi)有段:偏移值結(jié)構(gòu)。中斷描述器表最多可含有256個(gè)例程說(shuō)明,

③當(dāng)中斷或異常發(fā)生時(shí),處理過(guò)程與實(shí)模式類同。當(dāng)前的CS∶IP值和標(biāo)志寄存器值被存儲(chǔ)。保存的內(nèi)容還包括CPU其他內(nèi)部寄存器的值,以及目前正在被執(zhí)行的任務(wù)的有關(guān)信息(若必須發(fā)生任務(wù)切換的話)。CPU設(shè)法獲取中斷向量后,以它為索引值,查找IDT中的服務(wù)例程遠(yuǎn)地址,接著將控制轉(zhuǎn)移到該處的服務(wù)例程。這是與實(shí)模式轉(zhuǎn)移到IVT的不同所在。保護(hù)模式使用IDTR寄存器分配和定位內(nèi)存中的IDT中斷描述符表。IDT在內(nèi)存中是可移動(dòng)的,與IVT固定在內(nèi)存中剛好相反。IDT中斷描述符表在Windows中起決定性的作用。理解了Windows下保護(hù)模

式的中斷機(jī)制。有助于我們理解中斷服務(wù)程序的設(shè)計(jì),它的關(guān)鍵就在于如何將服務(wù)例程的地址放入IDT中斷描述符表中。當(dāng)中斷發(fā)生時(shí),如何將斷點(diǎn)地址及CPU各寄存器值保護(hù)起來(lái);中斷結(jié)束時(shí),如何將保護(hù)的值恢復(fù)。Windows系統(tǒng)本身并不提供實(shí)現(xiàn)上述功能的API,而DOS保護(hù)模式接口DPMI正具備了上述的功能。

下面我們首先介紹DPMI接口,然后基于它實(shí)現(xiàn)Windows下中斷服務(wù)程序的設(shè)計(jì)。

四、DOS保護(hù)模式接口DPMI

Windows除了標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)外,還支持一組特殊的DOS服務(wù),稱為DOS保護(hù)模式接口DPMI,由一些 INT 2FH和INT 31H服務(wù)組成。它使應(yīng)用程序能夠訪問(wèn)PC系列計(jì)算機(jī)的擴(kuò)充內(nèi)存,同時(shí)維護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)功能。DPMI通過(guò)軟件中斷31h來(lái)定義了一個(gè)新的接口,使得保護(hù)模式的應(yīng)用程序能夠用它作分配內(nèi)存,修改描述符以及調(diào)用實(shí)模式軟件等工作。

Windows為應(yīng)用程序提供DPMI服務(wù)。即Windows是DPMI 的宿主(host),應(yīng)用程序是DPMI的客戶(client),可通過(guò)INT-31H調(diào)用得到DPMI服務(wù)。INT-31H本身提供多功能。其中它的中斷管理服務(wù)允許保護(hù)模式用于攔截實(shí)模式中斷,并且掛住處理器異常。有些服務(wù)能夠和DPMI宿主合作,以維護(hù)應(yīng)用程序的虛擬中斷標(biāo)志。

可以用 INT31H來(lái)掛住保護(hù)模式中斷向量,以中斷方式處理外部實(shí)時(shí)事件。利用INT31H,功能0205H:設(shè)置保護(hù)模式中斷向量,將特定中斷的保護(hù)模式處理程序的地址置入中斷向量里。調(diào)用方式:AX=0205H,BL=中斷號(hào),CX∶(E)DX=中斷處理程序選擇符:偏移值。返回:執(zhí)行成功CF=清零,執(zhí)行失敗CF=置位。